宇宙的强大力量可以摧残万物,不乏恐怖之法。在广袤的太空,尝试屏息可能导致肺部爆裂;而若释放每一分子的空气,肉体将在数秒内消失无踪。在某些区域,身体会被外力抽出,凝结成固态;而在其他地方,你的分子结构会被解构成等离子态。然而,在众多宇宙的手段中,没有什么比人被黑洞吸引更引人入胜了。

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这一命题极具科学探讨价值。让我们深入探讨。

在黑洞附近,弯曲的时空极为剧烈,临近事件视界时,空间曲率达到顶峰,以至于光也无法逃离。最终,一切都将汇聚于一点:事件视界。黑洞的半径由质量、光速及相对论规律所决定。理论上,黑洞中应存在一个奇点,那里的质量高度集中,形成一个球状、静止的天体。

根据爱因斯坦的相对论,黑洞的性质由三个关键因素决定:

质量——由物质总量及等效能量(依据 E = mc平方)构成,是形成及塑造黑洞现状的关键。

黑洞内所含正负电荷的总和,即黑洞的净电荷。

角动量——黑洞固有的自转运动总量的度量。

实际上,所有存在于宇宙的黑洞应具备巨大质量、显著角动量及几乎为零的净电荷。这导致了其特性的复杂性。

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当一颗巨星终结其生命或两颗巨星残骸结合时,便可能形成黑洞,其事件视界与质量成正比,周遭环绕着能吸收物质的吸积盘。当黑洞自转,其外部与内部空间亦随之转动,此为框架拖曳效应,对黑洞而言,这力量不可小觑。

我们通常所想象的黑洞较为简化:仅以质量作为其标志。黑洞拥有环绕单一点的事件视界,以及自该点延伸的区域,光无法从中逃逸。这一区域呈完美球形,其边界为光无法跨越的区域:事件视界。位于特定距离(即史瓦西半径),黑洞的奇点在所有方向上均衡地向外扩张。

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这是对黑洞的简化描绘,却为我们提供了探索不同地点物理学的良好起点:事件视界之外与之内。

一旦跨越门槛,形成黑洞的事件视界内,所有事物都将汇聚成奇点,最多只存一维空间。三维结构无法完整生存。

在事件视界之外,引力作用遵循我们常规的预期:质量造成的空间弯曲使得宇宙中的物体经历向中心奇点的加速过程。如果你从黑洞的远处开始,停在原地,让物体坠入黑洞,你将目睹如下情形:

假设你保持静止,你会看到那无生命的物体缓缓加速,朝向黑洞。它将达到事件视界的速度,维持相同颜色,随后发生怪事。它似乎开始减速,逐渐消失,颜色转红。但它并未完全消失,不是瞬时,也非永久。相反,它只接近这样的状态:越来越黯淡,越来越难以觉察。事件视界宛若物体光芒的渐近线;只要你足够专注,始终可以目睹它。

现在,想象同样的情节,但这次,不要幻想你远远地观察那些可怕的物体。相反,设想你自己就是那被吸引的对象。你所体验的将会大相径庭。

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空间曲率的严重性将使事件视界显得比预期更大。在视界边缘,空间严重扭曲,你将看到外部宇宙的多个反射像,仿佛它们被复制和倒置。

一旦跨越事件视界,你不仅会看到外部宇宙,还能目睹视界之内的一部分宇宙。你所接收的光会经历蓝移,但随后再次红移,因为你不可避免地朝向奇点移动。在最终时刻,空间看似完全平整。

其中涉及的物理十分复杂,但计算相对简单,最精妙的工作来自科罗拉多大学的安德鲁·汉密尔顿,其系列论文跨越了2000年代末至2010年代初。汉密尔顿还基于这些计算,为你在被黑洞吸引的过程中所见的景象创造了一系列壮观的可视化效果。

我们从这些结果中可以学到很多直觉之外的经验教训。理解这一过程的一种方法是改变你对空间的感知方式。通常我们认为空间是固定的,观察者处于某处。但在事件视界,你始终处于运动状态。空间在本质上变化无常——如同活动的走道——不断将万物推向奇点。

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在事件视界内外,空间如移动人行道或瀑布般流淌,具体取决于你如何展示它。在视界,即使你以光速奔跑(或游动),也无法克服时空的流动,将你带向中心奇点。

它移动所有事物的速度之快,即便你直接以无限力量从奇点加速,你仍会坠向中心。视界外的物体仍能从各个方向发出光与你相遇,但你只能看到视界内部分物体。

定义观察者所能见边界之间的边界线,在数学上由心形来描述,其中心形的最大径向接触事件视界,最小径向终止于奇点。这意味着即使奇点是一点,它也不必然与其他一切相连。如果你和我同时从视界的两侧坠落,我们将无法在地平线相交后看到彼此的光。

当你被黑洞吸引或仅是靠近事件视界时,其大小和比例看起来远超实际尺寸。对于观察你的外部观察者而言,你的信息将被编码在事件视界上。随着黑洞蒸发,这些信息会如何变化仍是未知。

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其原因在于宇宙自身的动态结构。在事件视界内,空间移动速度超过光速,这是为何没有任何东西能够逃脱黑洞的原因。这也是为何一旦进入黑洞,你就会开始看到奇怪现象,比如同一物体的多个影像。

通过提问,如“奇点在哪里?”,有助于理解这一现象。

从黑洞的事件视界内部看,无论朝哪个方向移动,你都会遭遇奇点。因此,奇点出现在各个方向!如果你的脚指向加速方向,你将看到它们在你下方,但你也会看到它们在你的上方。所有这些都是直接计算得出,尽管非常违反直觉。这仅是简化案例:非旋转黑洞。

现在,让我们看一个更有趣的情况:黑洞旋转的情况。由于物质系统的存在,如恒星,黑洞总是带有一定程度的旋转。在宇宙(和相对论)中,角动量是任何近距离系统绝对的守恒量,没有方法摆脱它。物质坍塌至事件视界半径以下时,角动量会被捕获,如同质量一般。

我们得到的解决方案现在变得更为复杂。广义相对论由爱因斯坦在1915年提出,而卡尔·施瓦兹希尔德在几个月后的1916年初推出了非旋转黑洞的解决方案。但是,为了以更实际的方式模拟这一问题——考虑到如果黑洞也带有角动量,而不仅仅是质量——这一精确解决方案直到罗伊·克尔在1963年才得以发现。

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相比之下,更天真、更简单的施瓦兹希尔德解决方案与更现实、更复杂的克尔解决方案存在基本而重要的差异。无需特定顺序,这里有一些迷人的对比:

旋转黑洞并非单一事件视界解决方案,而是有两个数学解:内部和外部事件视界。

在外部事件视界之外,存在一个名为ergosphere的区域,其中空间本身以等于光速的旋转速度移动,而落在其中的粒子经历巨大加速度。

允许的角动量与质量的最大比值;如果角动量过大,黑洞将辐射能量(通过引力辐射)直至低于该极限。

并且,也许是最引人注目的,黑洞中心的奇点不再是一点,而是一维环,环的半径取决于黑洞的质量和角动量。

当你陷入旋转的黑洞时会发生什么?与非旋转黑洞的情况相同,但所有空间的表现都像是它正向一个中心奇点下降。相反,空间也表现得好像沿着旋转方向被拖动,就像旋转的漩涡。角动量与质量的比率越大,旋转的速度越快。

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尽管旋转黑洞(外部)事件视界外和内的时空流动概念与非旋转黑洞相似,但当你考虑穿过地平线的观察者所见的外部(和内部)世界时,存在一些基本差异,导致一些令人难以置信的细节变化。经历那个地平线的观察者将看到外部(和内部)世界。当你遭遇外部事件视界时,模拟会中断。

如果你凝视其中,你会发现自己逐渐变暗,仿佛被龙卷风卷入其中,沿着那个旋流的方向,你将会被拉长,像被揉搓成一个圆环或者一个盘状物。如果你不幸深陷,你会感觉像是被疯狂的旋转木马抽打,无情地把你拖向中心。而当你抵达那个奇异的点时,它会呈现一个环带的形态;你身体的各部分会在克尔黑洞的内表面上的不同空间坐标点碰到那个奇点。当你从事件视界内部向奇点靠近时,你将逐渐无法看见自己身体的其他部分。

但你应该从这一切中领悟到的最关键的信息是,空间结构在活动中展现了它的力量,而事件视界则是那个,即便你以宇宙速度的极限——光速——逃遁,无论选择哪个方向,奇点总会将你俘获的位置。

安德鲁·汉密尔顿的视觉呈现是最佳的,最忠于科学的仿真,展示了真实情况的模样,而且是如此让人难以置信,我所能做的最强力的推荐就是,一遍又一遍地观看他的模拟,直到你忽悠自己,让自己以为你懂了。它是如此令人惊恐,又美丽无比。假如你大胆到让自己飞向黑洞,穿过事件视界,这将是你所见的最后一幕!